CN103309267A - 一种模块化多电平变换器的控制系统架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变换器的控制系统控制架构，其特征是：控制系统由主控制器、辅助控制器、模块控制器三级控制架构以及外部扩展AD组成。主控制器DSP用于主控制、桥臂电流采样、子模块均压以及算法设计，辅助控制器FPGA用于子模块电容电压预处理、调制策略实现、外部扩展AD的控制以及故障诊断处理，模块控制器FPGA用于电容电压采样、开关管驱动、PWM信号的扩展及死区处理。本发明的有益效果是：通过优化辅助控制器与模块控制器的通信协议，减少了光纤使用数量，同时避免了模块控制器之间需同步的问题，降低了系统复杂程度，降低了系统成本。

Description

一种模块化多电平变换器的控制系统架构

技术领域

本发明涉及多电平电力电子变换器领域的控制系统，具体涉及模块化多电平变换器的控制系统架构。

背景技术

在高压大功率领域，多电平电力电子变换器以其独特的优势得到越来越广泛的应用。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种新型电压源型变换器，其采用严格的模块化设计结构，大规模生产时降低了生产成本；通过子模块的串联，变换器的电压等级和功率等级易于扩展；变换器多电平的输出形式降低了输出电压的谐波含量和总畸变率，从而可以减小甚至省去大容量的交流滤波器；各桥臂子模块不需同时开通，降低了桥臂电压、电流的变化率，使得开关器件承受的应力大大降低；同时，模块化多电平变换器保护电路简单，易于实现。

为解决主控制器PWM管脚资源有限的问题，常规多电平变换器控制系统架构多采用主控制器+辅助控制器的两级控制架构。主控制器由DSP构成，负责采样以及控制算法设计；辅助控制器由FPGA构成，负责调制比较、PWM信号扩展以及输出。MMC为维持子模块电容电压均衡，需实时采集各个桥臂电流值以及各个子模块电容电压值，主控器至少要采集6*(N+1)路数据信息（N为单个桥臂子模块个数），当电平数增多时，采集数据将严重占用主控制器资源，两级控制架构已很难满足MMC控制要求。

“模块组合多电平变换器控制系统研制”（北京：北京交通大学,2011.）提出一种主控制单元与功率模块单元相结合的星状主从式控制系统布局，主控制单元采用DSP与FPGA组合式的控制形式。具体实施方法是：主控制单元DSP用于搭载MMC控制策略，发出PWM脉冲并对输出电压电流进行控制，FPGA作为DSP的主要辅助芯片用于转发控制脉冲，预处理各模块AD数据以及反馈信号等；功率模块单元主要用于各功率模块驱动、信号反馈以及与主控制单元之间的通信。因DSP内部PWM管脚资源有限，当电平数增多时，该控制系统架构不能满足要求；主控制单元与功率模块单元通信中，PWM信号及其系统故障信号分别由两条光纤传输，造成功率模块单元与主控制单元连接时需要三根光纤，从而增加了系统成本。

“模块化多电平变流器控制系统的研究”（杭州：浙江大学,2012.）提出一种主控制器+辅助控制器+模块控制器的三级控制架构。主控制器由DSP构成，用于主控制、算法设计以及桥臂电流采样；辅助控制器由FPGA构成，用于模块均压、调制策略实现以及模块保护；模块控制器由DSP构成，用于子模块电容电压采集、PWM信号生成以及开关管驱动。三级控制器之间需要相互通信，进行数据交换，主控制与辅助控制器之间采用SPI串行通信，主控制器向辅助控制器发送调制信息以及电流信息；辅助控制器与模块控制器之间采用SCI串行通信，辅助控制器向各模块控制器发送每个载波周期的PWM占空比信息以及其他保护信息，模块控制器向辅助控制器发送子模块的电容电压以及子模块故障信号。该控制架构PWM功能由每个模块控制器直接实现，各个模块控制器之间存在同步问题，需要额外进行控制，增加了系统复杂度；辅助控制器向模块控制器发送数据时，需发送2帧数据（每帧由11位组成，依次为起始位、8位数据位、奇偶校验位以及停止位），将造成PWM信号存在一定延时，实时性降低，子模块均压算法由辅助控制器FPGA承担，相比由主控制器DSP实现，该方法复杂。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出了一种适用于模块化多电平变换器的控制系统架构。通过优化辅助控制器与模块控制器的通信协议，减少了光纤使用数量，同时避免了模块控制器之间需同步的问题，降低了系统复杂程度，降低了系统成本。

为了实现上述目的，本发明通过下述技术来实现：

本发明模块化多电平变换器的控制系统由主控制器、辅助控制器、模块控制器三级控制架构以及外部扩展AD组成，其中主控制器由DSP构成，辅助控制器由FPGA构成，模块控制器由FPGA构成。主控制器通过DSP外部扩展接口（XINTF）与辅助控制器相连，采用并行通信的方式进行数据交换；辅助控制器通过2根光纤与模块控制器相连，采用串行通信的方式进行数据交换。主控制器DSP用于主控制、桥臂电流采样、子模块均压以及算法设计，辅助控制器FPGA用于子模块电容电压预处理、调制策略实现、外部扩展AD的控制以及故障诊断处理，模块控制器FPGA用于电容电压采样、开关管驱动、PWM信号的扩展及死区处理。

与已有的技术相比，本发明一种模块化多电平变换器的控制系统架构所具有的优点是：

（1）通过优化辅助控制器与模块控制器的通信协议，将PWM信号与系统故障信号进行编码，利用一根光纤进行发送，减少了光纤使用数量，降低了系统成本；

（2）在辅助控制器中完成调制策略运行，减少了主控制器的资源占用；

（3）各子模块PWM信号在辅助控制器中统一生成，避免了模块控制器之间需同步的问题，降低了系统复杂程度；

（4）模块控制器采用FPGA，控制更加灵活，处理速度更快；

（5）优化的通信协议，传输位数少，相同波特率，实时性更高。

附图说明

图1是模块化多电平变换器的控制系统架构框图

图2是模块化多电平变换器主控制器控制结构图

图3是模块化多电平变换器辅助控制器控制结构图

图4是模块化多电平变换器模块控制器控制结构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

图1为模块化多电平变换器的控制系统架构框图，该控制架构由主控制器、辅助控制器、模块控制器三级控制架构以及外部扩展AD组成，其中主控制器由DSP构成，辅助控制器由FPGA构成，模块控制器由FPGA构成。主控制器通过DSP的XINTF与辅助控制器相连，采用并行通信的方式进行数据交换；辅助控制器通过2根光纤与模块控制器相连，采用串行通信的方式进行数据交换。主控制器DSP用于主控制、桥臂电流采样、子模块均压以及算法设计，辅助控制器FPGA用于子模块电容电压预处理、调制策略实现、外部扩展AD的控制以及故障诊断处理，模块控制器FPGA用于电容电压采样、开关管驱动、PWM信号的扩展及死区处理。

图2为模块化多电平变换器主控制器控制流程图，启动命令使能后，进行系统初始化，开始运行预充电程序，然后开外部中断，等待辅助控制器发送的中断信号。进入中断后，主控制通过XINTF读取外部AD采样数据，主要是桥臂电流；读取各子模块电容电压值，进行均压控制；再进行相应算法设计，得到调制波信号，将调制波信号以及其它调制控制信号发送给辅助控制器；再次使能外部中断，等待下次中断。

图3为模块化多电平变换器辅助控制器控制结构图，软件设计时采用自顶向下的设计理念，顶层为系统级控制，主要完成对下层模块的调用。第二层主要包含并行通信模块、串行通信模块、调制策略模块、故障处理模块。并行通信模块主要进行主控制器与辅助控制器间通信，采用主控制器DSP的XINTF进行并行通信，主要分为发送模块、接收模块和外部控制模块，发送模块主要发送子模块电容电压；接收模块主要完成调制波信号以及其它调制控制信号接收；外部AD控制模块，根据主控器读取外部AD时XINTF的控制信号，产生AD读取信号，进而主控制器能通过XINTF数据总线读取转换结果。串行通信模块主要完成辅助控制器与模块控制器的数据交换任务，采用异步通信，通信协议采取自定义方式，主要分为发送模块和接收模块，发送模块一帧由5位组成，依次为起始位、2位数据位、奇偶校验位以及停止位，主要完成各子模块上开关管PWM信号以及系统故障信号发送；接收模块一帧由16位组成，依次为起始位、13位数据位、奇偶校验位以及停止位，主要完成各子模块电容以及开关管故障信号接收。调制策略模块主要分为三角载波产生模块和各子模块上开关管PWM信号产生模块，三角载波产生模块根据具体调制算法，产生相应的三角载波，并在三角载波下溢时向主控制发送外部中断；各子模块上开关管PWM信号产生模块主要完成调制波与三角载波进行比较，并根据调制控制信号产生各子模块上开关管PWM信号。故障处理模块主要完成将串行通信接收的全部子模块故障信号，进行逻辑“与”处理，得到系统故障信号。

图4为模块化多电平变换器模块控制器控制结构图，软件设计时采用自顶向下的设计理念，顶层为系统级控制，主要完成对下层模块的调用。第二层主要包含串行通信模块、PWM信号处理模块、故障处理模块。串行通信模块主要完成辅助控制器与模块控制器的数据交换任务，采用异步通信，通信协议采取自定义方式，主要分为发送模块和接收模块，发送模块一帧由16位组成，依次为起始位、13位数据位、奇偶校验位以及停止位，主要完成子模块电容以及开关管故障信号发送；接收模块一帧由5位组成，依次为起始位、2位数据位、奇偶校验位以及停止位，主要完成对子模块上开关管PWM信号以及系统故障信号的接收。PWM信号处理模块主要包括PWM封锁模块和PWM扩展及死区处理模块，当系统故障使能时，PWM封锁模块完成上下开关封锁；当系统正常运行时，PWM扩展及死区处理模块完成对接收的上开关管PWM信号的取反扩展以及加死区处理，进而将得到的两路PWM信号发送至驱动芯片，完成对子模块控制。故障处理模块主要功能是从驱动芯片中读取子模块的故障信息。

Claims (4)

1.一种模块化多电平变换器的控制系统架构，其特征在于：该控制架构由主控制器、辅助控制器、模块控制器三级控制架构以及外部扩展AD组成，其中主控制器由DSP构成，辅助控制器由FPGA构成，模块控制器由FPGA构成，辅助控制器与各个模块控制器分别通过2根光纤连接。 

2.基于权利要求1所述的一种模块化多电平变换器的控制系统架构，主控制器DSP用于主控制、桥臂电流采样、子模块均压以及算法设计，启动命令使能后，进行系统初始化，开始运行预充电程序，然后开外部中断，等待辅助控制器发送的中断信号，然后进入中断控制程序； 

所述中断控制程序主要功能：主控制器通过XINTF读取外部AD采样数据，主要是桥臂电流；读取各子模块电容电压值，进行均压控制；再进行相应算法设计，进而得到调制波信号，将调制波信号以及其它调制控制信号发送给辅助控制器；再次使能外部中断，等待下次中断。 

3.基于权利要求1所述的一种模块化多电平变换器的控制系统架构，辅助控制器FPGA用于子模块电容电压预处理、调制策略实现、外部扩展AD的控制以及故障诊断处理，软件设计时采用自顶向下的设计理念，顶层为系统级控制，主要完成对下层模块的调用，第二层主要包含并行通信模块、串行通信模块、调制策略模块以及故障处理模块； 

所述并行通信模块主要进行主控制器与辅助控制器间通信，采用主控制器DSP内部的XINTF进行并行通信，主要分为发送模块、接收模块和外部AD控制模块，发送模块主要向主控制器发送子模块电容电压值；接收模块主要完成调制波信号以及其它调制控制信号接收；外部AD控制模块根据主控器读取外部AD时XINTF的控制信号，产生AD读取信号，进而主控制器能通过XINTF数据总线读取转换结果； 

所述串行通信模块主要完成辅助控制器与模块控制器的数据交换任务，采用异步通信，通信协议采取自定义方式，主要分为发送模块和接收模块，发送模块一帧由5位组成，依次为起始位、2位数据位、奇偶校验位以及停止位，主要完成各子模块上开关管PWM信号以及系统故障信号发送；接收模块一帧由16位组成，依次为起始位、13位数据位、奇偶校验位以及停止位，主要完成各子模块电容电压值以及开关管故障信号接收； 

所述调制策略模块主要分为三角载波产生模块和各子模块上开关管PWM信号产生模块，三角载波产生模块根据具体调制算法，产生相应的三角载波，并在三角载波下溢时向主控制器发送外部中断；各子模块上开关管PWM信号产生模块主要完成调制波与三角载波比较，并根据调制控制信号产生各子模块上开关管PWM信号； 

所述故障处理模块主要完成将接收的全部子模块故障信号进行逻辑“与”处理，进而得到系统故障信号。 

4.基于权利要求1所述的一种模块化多电平变换器的控制系统架构，模块控制器FPGA用于电容电压采样、开关管驱动、PWM信号的扩展及死区处理，软件设计时采用自顶向下的设计理念，顶层为系统级控制，主要完成对下层模块的调用，第二层主要包含串行通信模块、PWM信号处理模块、故障处理模块； 

所述串行通信模块主要完成模块控制器与辅助控制器的数据交换任务，采用异步通信，通信协议采取自定义方式，主要分为发送模块和接收模块，发送模块一帧由16位组成，依次为起始位、13位数据位、奇偶校验位以及停止位，主要完成子模块电容以及开关管故障信号发送；接收模块一帧由5位组成，依次为起始位、2位数据位、奇偶校验位以及停止位，主要完成对子模块上开关管PWM信号以及系统故障信号接收； 

所述PWM信号处理模块主要包括PWM封锁模块和PWM扩展及死区处理模块，当系统故障使能时，PWM封锁模块完成上下开关封锁；当系统正常运行时，PWM扩展及死区处理模块完成对接收的上开关管PWM信号的取反扩展以及加死区处理，进而将得到的两路PWM信号发送至驱动芯片，完成对子模块控制； 

所述故障处理模块主要功能是从驱动芯片中读取子模块的故障信息。 

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